Схемотехника радиоприемников. Практическое пособие.

Представленная ниже принципиальная электрическая схема двухдиапазонного приемника для любительской радиосвязи работает в соответствии с блок-схемой, которая обсуждалась в гл. 4 с целью выяснения основных конструктивных особенностей приемника. На диапазонах 80 и 20 м особенно хорошо удаются континентальные связи на неосвещенной (ночной) стороне Земли и межконтинентальные DX-связи на линии терминатора и иногда также около 1 часа ночи.

Приемник (со всеми своими блоками) рассчитан на питание от 12-вольтовой бортовой сети автомобиля со средним значением напряжения 13,6 В. Это значение напряжения следует устанавливать и при питании приемника от бытовой сети; здесь лучше всего использовать или интегральный стабилизатор с регулируемым выходным напряжением (например, серии 723) в сочетании с мощным транзистором в качестве усилителя тока, или источник фиксированного напряжения 15 В с достаточным по величине нагрузочным током, в плюсовой провод которого нужно включить два последовательно соединенных диода (на ток 1 А; например, 1 N 4003). Ток, потребляемый собственно широкополосным трактом, составляет около 0,1 мА.

В разд. 12.1 и 13.6 описываются некоторые другие компоненты полной принципиальной схемы приемника, а именно: входящий в систему АРУ приемника усилитель ПЧ вместе с детектором перемножительного типа, генератором несущей и генератором сигнала АРУ и телеграфный ФНЧ соответственно.

5.1. Приемный тракт

На рис. 5.1 представлена первая часть принципиальной электрической схемы приемного тракта, включающая ВЧ-селектор и смеситель.

Для подключения антенны (разъем Bul) можно использовать 50-омный миниатюрный байонетный соединитель (BNC), например UG-290 или UG-1094 (штеккер UG-88). Эта коаксиальная арматура позволяет непосредственно (без переходников) подключать кабель диаметром около 6 мм; в частности, возможно применение кабелей RG-58/U и RG-58A/U, вносящих затухание всего лишь 0,5 дБ/10 м на частоте 15 МГц.

Переключатели S1 и S2 (для подключения ВЧ-аттенюатора и переключения диапазонов) - перекидного типа с тремя контактными группами; все три вывода средней контактной группы с целью внутреннего экранирования следует по кратчайшему пути заземлить во ВЧ (подсоединить к лицевой панели). Соединения этих переключателей с монтажной платой (а также с разъемом Bu1) можно выполнять 50-омным коаксиальным кабелем RG-174/U или RG-178B/U диаметром 2,5 мм и 1,5 мм соответственно.

В ВЧ-аттенюаторе мы используем металлопленочные резисторы с допустимой мощностью рассеяния 0,3... 0,5 Вт. Их можно устанавливать на монтажной плате ил” непосредственно припаивать к выводам переключателя S1.

В состав ВЧ-селектора входят два трехконтурных П-образных полосовых фильтра а также отсасывающий контур, настроенный на зеркальную частоту (» 14,15 МГц диапазона 80 м. На диапазоне 80 м используется фильтр с чебышевской, на диапазоне 20 м-с баттервортовской характеристиками. Параллельные контуры этих фильтров определяют значения граничных частот (они указаны на схеме), а последовательный контур-неравномерность характеристики внутри полосы пропускания. О частотной избирательности фильтров говорилось в гл. 3 и 4; все необходимые сведения о конструктивных элементах содержатся в табл. 5.1.

RC-звено, установленное между ВЧ-селектором и смесителем, служит для оптимального согласования импедансов на частотах свыше 150 МГц; в этой области спектра при увеличении частоты величины A_s для рассматриваемых полосовых фильтров очень скоро (на частотах » 1 ГГц) достигают очень малых значений.

Кольцевой смеситель на диодах Шотки с целью обеспечения максимальной помехоустойчивости выполнен широкополосным. Рабочие диапазоны его частотных характеристик, определяемых главным образом симметрирующими трансформаторами U1 и U2 (с коэффициентами трансформации 1:2:2),-2... 100 МГц для выхода ПЧ (fj и гетеродинного входа (f_u) и 0... 100 МГц для входа принимаемого сигнала (f_e). Цепи f_e и f_z, с одной стороны, и цепь f_u-c другой, развязаны на 50... 55 дБ; цепь f_e по отношению к цепи f_г-на 25...30 дБ; все это для частот < 50 МГц. Необходимые данные для полностью идентичных по конструкции трансформаторов на кольцевых сердечниках приведены в табл. 5.1; схема расположения обмоток имеется на рис. 3.4. Вместо четырех указанных на схеме диодов D1 ...4 типа НР2900 (известных также, как НР-5082-2900) можно применить диоды HP 2800 (HP-5082-2800); правда, как показывает опыт, такая замена приводит к уменьшению А, приблизительно на 8 дБ.

На рис. 5.2 представлена вторая часть принципиальной электрической схемы рассматриваемого приемного тракта, которая начинается в точке В (выход смесителя) и включает в себя тракт предварительного усиления ПЧ и фильтр, основной селекции. 

На входе этой части схемы установлен ПФ-диплексер, обеспечивающий широкополосное согласование последующих каскадов с выходом смесителя, а также избирательную раскачку этих каскадов на частотах f_z = f_h + f_u или f_z = f_h — f_u (в зависимости от выбранного диапазона). Оба предусилителя представляют собой исключительно малошумящие структуры с Х-типом ООС (по схеме на рис. 3.6), Аттенюатор с затуханием 4 дБ осуществляет некоторую дополнительную развязку фильтра основной селекции и смесителя; здесь используются металлопленочньк резисторы. Восьмирезонаторный кварцевый фильтр как со стороны входа, так и со стороны выхода желательно нагрузить эффективной емкостью 30 пФ, что достигается включением двух конденсаторов емкостью 22 пФ параллельно неизбежно присутствующим паразитным емкостям; заметим, что имеется множество других типов фильтров с В_р > 250 Гц, пригодных для использования в данной схеме. Расчет катушек и трансформаторов представлен на рис. 5.6; схема намотки трансформатора дана на рис. 3.8.

Конденсатор емкостью 4700 мкФ, подключенный в точке подачи питающего напряжения +13,6 В, необходим при питании приемника от бортовой сети автомобиля, и является общим элементом для всех блоков приемника. Конденсатор устанавливается непосредственно в месте подключения проводов электропитания. При питании приемника от бытовой электросети емкость этого конденсатора нужно выбирать из условия достаточного ослабления фона переменного тока (зарядная и фильтрующая емкости).

В отношении катушек и трансформаторов нужно обратить внимание на то, чтобы их обмотки равномерно (с одинаковым шагом) распределялись по окружности сердечника, охватывая угол » 300°.

Для рассмотренного приемного тракта при отключенном ВЧ-аттенюаторе, т. е. при полном усилении, эффективное значение коэффициента усиления по мощности равно 1,5 дБ (см. рис. 4.1).

5.2. Гетеродин

Принципиальная электрическая схема этой части широкополосного тракта приведена на рис. 5.3.

Для обеспечения оптимальной электрической стабильности и достаточно низкого уровня шумов всюду используются биполярные СВЧ-транзисторы; их применение только из-за частотных свойств (быстродействия, усиления) не является обязательным, поскольку вполне пригодны транзисторы и с f_T ³ 250 МГц.

Как видно из схемы, в перестраиваемом задающем генераторе (VFO) использован “архаичный” настроечный конденсатор переменной емкости. Для этого имеется следующее основание: при определяемой отношением 1:1,11 ширине диапазона перестройки по частоте D f и результирующей (пропорциональной D f²) необходимой ширине диапазона изменения емкости D С (1:1,23), а также в силу вынужденного использования высокой эффективной емкости контура (215.. .270 пФ) добротность контура, перестраиваемого с помощью варикапа, оказалась бы настолько низкой (в ненагруженном состоянии она определяется коэффициентом потерь варикапа), что ни по стабильности частоты, ни по уровню случайного изменения фазы (дрожание фазы) варикапный способ настройки не удовлетворил бы выдвинутым относительно высоким требованиям; в качестве приемлемой альтернативы предлагалась магнитно - управляемая индуктивность, однако это связано с довольно значительными экономическими издержками.

Величина сигнала на выходе задающего генератора должна составлять примерно 0,2 В; явные отклонения от этого значения (> +20%) следует устранять путем подбора (в небольших пределах) номинала связанного с землей резистора в эмиттерной цепи транзистора Т1. Аттенюатор с затуханием 6 дБ необходим для согласования выходного сопротивления буферного усилителя с входным сопротивлением усилителя мощности; без такого согласования наблюдалась бы перегрузка усилителя мощности и нарушалась бы работа смесителя. Требуемый уровень мощности сигнала гетеродина (на входе смесителя) +13 дБм ± 1 дБ устанавливается с помощью подстроечного резистора в эмиттерной цепи транзистора Т2; этот уровень во всем диапазоне перестройки задающего генератора остается практически постоянным. Учитывая высокую линейность рабочих характеристик задающего генератора и следующих за ним усилителей, можно отказаться от применения фильтра высших гармоник.

Все необходимые сведения о частотноопределяющих конструктивных элементах и трансформаторах на кольцевых сердечниках U1 и U2 содержатся в табл. 5.2; схема намотки трансформаторов приведена на рис. 3.11.

Катушка задающего генератора намотана на кольцевом сердечнике из карбонильного железа. Хотя в отношении стабильности частоты генератора a priori нельзя сказать ничего определенного, тем не менее можно без каких-либо ограничений принять к сведению результаты конкретных измерений данного параметра, которые отражены на диаграммах рис. 5.4. 

Измерения проведены на четырех идентичных задающих генераторах, более или менее различающихся по физическим параметрам, но в конструктивном отношении выполненных на одинаково высоком техническом уровне, характерном для реализации высококачественных ВЧ-устройств; полученные результаты, в частности, показывают недопустимость перегрева внутреннего пространства корпуса приемника. Обмотку катушки задающего генератора нужно прочно закрепить на сердечнике, а последний - на монтажной плате; перед этим следует подкорректировать число витков катушки для обеспечения требуемой (по перекрытию) полосы частот, поскольку магнитная проницаемость кольцевого сердечника может изменяться в пределах ±30% от номинала.

Спектральная плотность мощности фазовых шумов гетеродина при расстройке ³ 30 кГц составляет —126 дБ/Гц по отношению к мощности основного колебания на fu-входе смесителя. На самом деле минимальное необходимое значение этого параметра, определяемое в зависимости от DB₃ и В_р по формуле DB₃ + В_р(дБ), равно “ —127 дБ/Гц. При меньших (абсолютных) значениях сужаются оба динамических диапазона за счет смещения вверх их нижней границы с одновременным ухудшением пороговой чувствительности приемника. Разница в — 1 дБ между допустимым и реальным уровнями шумов гетеродина (вместо желательных значений + 3 дБ и более) на практике, конечно, не имеет большого значения. При уменьшении В_р и соответствующем увеличении DB₃ требования на допустимый уровень шумов гетеродина снижаются.

5.3. Влияние усилителя ВЧ

Если приемник используется в модифицированном (по рабочим частотам) варианте - для приема сигналов на частотах свыше 20 МГц или в качестве приставки к УКВ- или ДМВ-конвертеру,-то можно попытаться улучшить его чувствительность до значений, которые при коэффициенте шума 15 дБ уже недостижимы. Тогда (и только тогда) рекомендуется ввести в приемный тракт усилитель ВЧ.

Как видно из рис. 5.5, этот усилитель (выполненный в 50-омной схемотехнике) можно установить или непосредственно на входе приемника перед ВЧ-селектором (а), или между ВЧ-селектором и смесителем (б). 

Первую конфигурацию уместно использовать только в приставках к конвертеру (предварительная ВЧ-селекция в этом случае осуществляется на выходе самого конвертера), в остальном следует предпочесть вторую конфигурацию.

В качестве усилителя ВЧ лучше всего использовать малошумящую структуру с ООС Х-типа: такой усилитель мы уже рассматривали (тракт ПЧ на рис. 5.2). При Gp = 7 дБ и I_С » 14 мА получаем IР_i3 = +27,5 дБм, КР_i = +1 дБм и F = 1,8 дБ (£ 100 МГц). Принципиальная электрическая схема этого усилителя с необходимыми данными по намотке трансформатора для G_P = 7 дБ приведена на рис. 5.6; ее рабочий диапазон частот около 10... 120 МГц (по уровню — 1 дБ G_P).

Поскольку значение параметра IР_о3 = + 34,5 дБм для рассматриваемого усилителя значительно превосходит величину IР_i3 для смесителя ( + 20 дБм) и, кроме того, IP_i3 смесителя < IP_i3 усилителя, то для всего приемника так или иначе IР₃ » +20 дБм; в этом отношении качество приемника при введении усилителя ВЧ не пострадает. В то же время усилитель ВЧ снижает КР-уровень приемника на величину своего коэффициента усиления G_P (см. рис. 4.1), а значит, ухудшает динамическую характеристику приемника. С другой стороны, мы получаем выигрыш в коэффициенте шума F_RX,который для схем а и б на рис. 5.5 составляет 9 дБ и 10 дБ соответственно. Таким образом, с усилителем ВЧ DB₃ » 100... 101 дБ вместо “всего лишь” 97 дБ в его отсутствие, что является следствием его весьма значительного IР₃.

При более высоком значении коэффициента усиления по мощности возможно еще большее снижение F_RX, правда, при одновременном уменьшении IP, KP и DB; для приема сигналов с частотами < 50 МГц это вряд ли целесообразно. Приведенные на рис. 1.3, рис 1.5, рис 4.1 определения позволяют провести соответствующий анализ данного вопроса.

Рассмотренный усилитель ВЧ был реализован в двух экземплярах: первый - для приемника-приставки к УКВ-конвертеру диапазона 2 м на диапазон 20 м, второй - для самостоятельного приемника, рассчитанного на работу в диапазоне 10 м; в обоих случаях он включался по схеме б на рис. 5.5. Обе конструкции сразу же показали высокую электрическую стабильность; напротив, при включении усилителя по схеме а на рис. 5.5 извлечение штеккера антенны тотчас же приводило к сильному самовозбуждению усилителя (во всех случаях на частоте 390 МГц).